Pandemija COVID-19 izgledala je kao beskrajna parada varijanti SARS-CoV-2, od kojih je svaka opremljena novim načinima da se izbegne imunološki sistem, ostavljajući svet da se priprema za ono što će uslediti.
Ali šta ako postoji način da se naprave predviđanja o novim virusnim varijantama pre nego što se zaista pojave?
Nova alatka za veštačku inteligenciju pod nazivom EVEscape, koju su razvili istraživači sa Harvardske medicinske škole i Univerziteta u Oksfordu, može da uradi upravo to.
Alat ima dva elementa: model evolutivnih sekvenci koji predviđa promene koje se mogu desiti na virusu i detaljne biološke i strukturne informacije o virusu. Zajedno, oni omogućavaju EVEscape-u da predviđa varijante koje će se najverovatnije pojaviti kako virus evoluira.
U studiji objavljenoj 11. oktobra u časopisu Nature, istraživači pokazuju da bi EVEscape, da je korišćen na početku pandemije COVID-19, predvideo najčešće mutacije i identifikovao najzabrinjavajuće varijante za SARS-CoV-2. Alat je takođe napravio tačna predviđanja o drugim virusima, uključujući HIV i grip.
Istraživači sada koriste EVEscape da gledaju unapred na SARS-CoV-2 i predvide buduće varijante zabrinutosti; svake dve nedelje objavljuju rangiranje novih varijanti. Na kraju, ove informacije bi mogle pomoći naučnicima da razviju efikasnije vakcine i terapije. Tim takođe proširuje posao kako bi uključio više virusa.
„Želimo da znamo da li možemo da predvidimo varijacije u virusima i da predvidimo nove varijante — jer ako možemo, to će biti izuzetno važno za dizajniranje vakcina i terapija“, rekla je viši autor Debora Marks, vanredni profesor sistemske biologije u Blavatniku. Institut pri HMS.
Istraživači su prvo razvili EVE, skraćeno za evolucioni model varijantnog efekta, u drugačijem kontekstu: mutacije gena koje izazivaju ljudske bolesti. Srž EVE-a je generativni model koji uči da predvidi funkcionalnost proteina na osnovu velikih evolucionih podataka među vrstama.
U prethodnoj studiji, EVE je omogućio istraživačima da razaznaju uzroke bolesti od benignih mutacija u genima povezanih sa različitim stanjima, uključujući rak i poremećaje srčanog ritma.
„Ove generativne modele možete koristiti da naučite neverovatne stvari iz evolucionih informacija — podaci imaju skrivene tajne koje možete otkriti“, rekao je Marks.
Kako je pandemija COVID-19 udarala i napredovala, svet je bio zatečen impresivnom sposobnošću SARS-CoV-2 da se razvija. Virus je nastavio da se menja, menjajući svoju strukturu na suptilne i značajne načine kako bi promašio vakcine i terapije osmišljene da ga poraze.
„Podcenjujemo sposobnost stvari da mutiraju kada su pod pritiskom i kada imamo veliku populaciju u kojoj to mogu da urade“, rekao je Marks. „Virusi su fleksibilni — skoro kao da su evoluirali da bi evoluirali.“
Gledajući kako se pandemija razvija, Marks i njen tim su videli priliku da pomognu: ponovo su izgradili EVE u novi alat pod nazivom EVEscape u svrhu predviđanja virusnih varijanti.
Uzeli su generativni model od EVE-a—koji može da predvidi mutacije u virusnim proteinima koje neće ometati funkciju virusa—i dodali biološke i strukturne detalje o virusu, uključujući informacije o regionima koje je imuni sistem najlakše ciljao.
„Uzimamo biološke informacije o tome kako funkcioniše imuni sistem i nanosimo ih na naša saznanja iz šire evolucione istorije virusa“, objasnila je autorka Nikola Tadani, bivša istraživačica u laboratoriji Marks.
Takav pristup, naglasio je Marks, znači da EVEscape ima fleksibilan okvir koji se lako može prilagoditi svakom virusu.
U novoj studiji, tim je vratio sat na januar 2020, neposredno pre nego što je počela pandemija COVID-19. Zatim su zamolili EVEscape da predvidi šta će se dogoditi sa SARS-CoV-2.
„Kao da imate vremeplov. Vratite se na prvi dan, i kažete, imam samo te podatke, šta ću reći da se dešava?“ rekao je Marks.
EVEscape je predvideo koje će se SARS-CoV-2 mutacije desiti tokom pandemije sa tačnošću sličnom eksperimentalnim pristupima koji testiraju sposobnost virusa da se veže za antitela koja stvara imuni sistem. EVEscape je nadmašio eksperimentalne pristupe u predviđanju koja će od tih mutacija biti najrasprostranjenija. Što je još važnije, EVEscape bi mogao da napravi svoja predviđanja brže i efikasnije od laboratorijskog testiranja jer nije morao da čeka da se relevantna antitela pojave u populaciji i postanu dostupna za testiranje.
Pored toga, EVEscape je predvideo koje će terapije zasnovane na antitelima izgubiti svoju efikasnost kako je pandemija napredovala i virus je razvio mutacije kako bi izbegao ove tretmane.
Alat je takođe bio u mogućnosti da pregleda desetine hiljada novih varijanti SARS-CoV-2 proizvedenih svake nedelje i identifikuje one koje će najverovatnije postati problematične.
„Brzim određivanjem nivoa pretnje od novih varijanti, možemo pomoći u informisanju ranijih odluka o javnom zdravlju“, rekla je vodeći autor Sarah Gurev, diplomirani student u laboratoriji Marks iz programa za elektrotehniku i računarstvo na MIT-u.
U poslednjem koraku, tim je pokazao da se EVEscape može generalizovati na druge uobičajene viruse, uključujući HIV i grip.
Tim sada primenjuje EVEscape na SARS-CoV-2 u realnom vremenu, koristeći sve dostupne informacije da bi predvideo kako će se dalje razvijati.
Istraživači objavljuju dvonedeljni rang novih varijanti SARS-CoV-2 na svojoj veb stranici i dele ove informacije sa subjektima kao što je Svetska zdravstvena organizacija. Kompletan kod za EVEscape je takođe besplatno dostupan na mreži.
Oni takođe testiraju EVEscape na nedovoljno proučavanim virusima kao što su Lassa i Nipah, dva patogena sa potencijalom pandemije za koja postoji relativno malo informacija.
Takvi manje proučavani virusi mogu imati ogroman uticaj na ljudsko zdravlje širom sveta, primetili su istraživači.
Još jedna važna primena EVEscape-a bila bi procena vakcina i terapija u odnosu na trenutne i buduće virusne varijante. Sposobnost da to urade može pomoći naučnicima da osmisle tretmane koji su u stanju da izdrže mehanizme bekstva koje virus dobija.
„Istorijski gledano, vakcina i terapeutski dizajn su bili retrospektivni, spori i vezan za tačne sekvence poznate o datom virusu“, rekao je Thadani.
Noor Ioussef, istraživač u laboratoriji Marks, dodao je: „Želimo da shvatimo kako zapravo možemo dizajnirati vakcine i terapije koje su otporne na budućnost.“
